Інститут рідкісних земель та стратегічних металів Германію

Германій (від лат. Germania «Німеччина», після країни, в якій він був вперше знайдений) - хімічний елемент із символом елемента Ge та атомним номером 32. У періодичній системі він знаходиться в 4-му періоді та в 4-й основній групі (14-й Група IUPAC, р-блок і вуглецева група). Вперше його було виявлено в мінералі аргіродіт 6 лютого 1886 року.

історія

Коли Дмитро Менделєєв розробив таблицю Менделєєва в 1871 році, він наткнувся на пробіл нижче кремнію і постулював раніше невідомий елемент, який він назвав ека-кремній. Менделєєв зробив прогнози щодо властивостей ека-кремнію та його сполук, але наука їх відкинула.

Походження та етимологія назви германій також може бути результатом семантичного нерозуміння у зв'язку з попереднім елементом галієм, оскільки існує дві теорії іменування галієм. Після першого, французький хімік Поль Еміле Лекок де Буйсбодран назвав цей елемент на честь Галлії - латинської назви рідної Франції. Другий дає джерело назви латинське слово gallus (півень), що по-французьки означає le coq («півень»). Пол Еміле Лекок де Буйсбодран назвав би новий елемент своїм іменем. Вінклер припустив, що попередній елемент, галій, був названий на честь національності французького першовідкривача. Так він назвав новий хімічний елемент "Германій" на честь своєї країни (лат. Germania для Німеччини).

Виникнення

Германій широко поширений, але трапляється лише у дуже низьких концентраціях; Значення Кларка (= середній вміст у земній корі): 1,5 г/т. У природі він зустрічається здебільшого як сульфід (тіогерманат) і часто зустрічається як супутник мідних та цинкових руд (мідний шифер Мансфельда). Найважливішими мінералами є аргиродит, канфілдит, германіт та реньєрит. Деякі рослини збагачують германій. Ця властивість призводить до деяких дуже суперечливих тез щодо фізіології рослин («захист рослин від вірусів»), що в кінцевому підсумку також призводить до застосування в гомеопатії.

Добування та виготовлення

За даними USGS, щорічне виробництво в 2014 р. Становило 165 т, з них 120 т - у Китаї. Ціна за 1 кг германію становила близько 1900 доларів США у 2014 році. За даними ЄС, у 2003 році ціна становила 300 доларів США за кг, а до 2009 року зросла до 1000 доларів США.

Димові гази (містять оксид геманію ()) при переробці цинкової руди особливо придатні для представлення германію. Германій збагачується з димових газів шляхом розчинення золи в сірчаній кислоті. Після осадження розчину проводять подальшу обробку дистиляцією хлоридів металів. Потім гідроліз повертається до оксиду, який відновлюється до германію з воднем. Представлення германію високої чистоти може, наприклад. B. здійснювати за зоною плавлення.

характеристикиелементарний германій

Германій знаходиться в напівметалевому ряді в періодичній системі, але згідно з недавнім визначенням він класифікується як напівпровідник. Елементальний германій дуже крихкий і дуже стійкий на повітрі при кімнатній температурі. Він окислюється до оксиду германію (IV) (GeO2) лише тоді, коли сильно світиться в атмосфері кисню. GeO2 є диморфним і перетворюється із модифікації рутилу (CN = 6) у структуру ß-кварцу (CN = 4) при 1033 ° C. У формі порошку це легкозаймиста тверда речовина, яку можна легко запалити при короткочасному впливі на джерело займання і продовжує горіти після його видалення. Чим тонше розподіляється речовина, тим більший ризик займання. У компактному вигляді він не є займистим. Германій двовалентний і чотиривалентний. З’єднання германію (IV) є найбільш стійкими. Германій не атакується соляною кислотою, гідроксидом калію та розведеною сірчаною кислотою. У лужних розчинах перекису водню, концентрованій гарячій сірчаній кислоті та концентрованій азотній кислоті він, однак, розчиняється з утворенням гідрату діоксиду германію. Відповідно до його положення в періодичній системі, його хімічні властивості десь між кремнієм та оловом.

Германій - одна з небагатьох речовин, що має властивість аномалії щільності. Його щільність у твердому стані нижча, ніж у рідкому. Його зазорна зона становить близько 0,67 еВ при кімнатній температурі.

Вафлі з германію значно крихкіші, ніж кремнієві вафлі.

використанняелектроніка

Будучи напівпровідником, германій в монокристалічній формі був провідним матеріалом в електроніці в середині 20 століття, особливо для виготовлення перших діодів германію та біполярних транзисторів, доступних на ринку, поки в цих областях його не замінив кремній. Сьогодні застосування можна знайти у високочастотній технології (наприклад, як напівпровідники сполук кремнію-германію) та детекторній технології (наприклад, як рентгенівські детектори). Для сонячних елементів з арсеніду галію (GaAs) іноді в якості матеріалу-носія використовують пластини з германію. Константа решітки германію дуже подібна до константи арсеніду галію, так що GaAs зростає епітаксіально на монокристалах германію.

Окуляри та волокна

Друге основне застосування - в інфрачервоній оптиці у вигляді вікон та систем лінз з полі- або монокристалічного германію, а також оптичних окулярів з інфрачервоною проникністю, так званих халькогенідних окулярів. Області застосування для цього включають військові та цивільні прилади нічного бачення та тепловізійні камери.

Інші важливі напрямки використання у виробництві оптичних хвилеводів та поліефірних волокон: У сучасних скляних волокнах для телекомунікацій тетрахлорид германію використовується для утворення діоксиду германію у внутрішньому ядрі волокна під час осадження хімічних парів. Це призводить до більш високого показника заломлення в сердечнику порівняно з облицюванням волокон, що забезпечує керованість світлових хвиль. У хімії поліефіру діоксид германію використовується як каталізатор у виробництві певних поліефірних волокон та гранулятів, особливо для ПЕТ-пляшок, що підлягають вторинній переробці (ПЕТ = поліетилентерефталат).

Ядерна медицина та ядерна інженерія

68Ge використовується в генераторі Галію-68 в якості вихідного нукліду для виробництва Галію-68. 68Ge також використовується як джерело для калібрування детектора в позитронно-емісійній томографії.

Як монокристал високої чистоти германій використовується як детектор випромінювання.

Германій у харчових добавках

Речовина Bi (карбоксиетил) сесквіоксид германію (Ge-132) рекламується як дієтична добавка для використання при ряді захворювань, включаючи рак, синдром хронічної втоми, імунну недостатність, СНІД, високий кров'яний тиск, артрит та харчову алергію. На сьогодні науково не доведено жодного позитивного впливу на перебіг захворювання.

Відповідно до Європейської директиви 2002/46/ЄС про гармонізацію законодавства держав-членів про харчові добавки, германій не слід використовувати в харчових добавках. У багатьох країнах ЄС, які вже узгодили своє національне законодавство, включаючи Німеччину та Австрію, додавання германію як мінерального джерела в харчові добавки заборонено.

Відповідальні органи прямо застерігають від вживання Ge-132, оскільки не можна виключати серйозної шкоди здоров'ю та смерті.

Лікарське застосування германію

Терапевтична ефективність протипухлинної речовини спірогерманій при ракових захворюваннях не доведена. Не існує затверджених готових лікарських засобів з діючою речовиною спірогерманію. У Німеччині фармацевтичні препарати (рецепти), що містять германій, вважаються сумнівними, крім гомеопатичних розведень з D4. Тому їх виробництво та розповсюдження заборонені. Germanium metallicum випускається у формі гомеопатичних ліків. Ді-калієвий лактат цитрату германію описаний як компонент гомеопатичних препаратів.

фізіологія

Германій та його сполуки мають відносно низьку токсичність. Сліди германію можна знайти в таких продуктах харчування: квасоля, томатний сік, устриці, тунець і часник. Відповідно до сучасного стану науки, він не є важливим мікроелементом. Немає відомої біологічної функції германію. Обговорювався можливий вплив на вуглеводний обмін. Жодних хвороб дефіциту германію не відомо.

токсичність

Отруєння германієм у людей дотепер сталося лише після прийому неорганічних сполук германію як харчових добавок. Перші симптоми - це втрата апетиту, втрата ваги, виснаження і м’язова слабкість. Далі слідують функціональні розлади нирок аж до ниркової недостатності включно, що може бути фатальним для пацієнта. Також повідомлялося про периферичну нейропатію як вторинне захворювання.

Повідомлялося про тимчасові нейротоксичні побічні ефекти при прийомі спірогерманію в клінічних випробуваннях. Спірогерманій випробовували як цитостатичний засіб у 1980-х роках. Дані досліджень на здорових добровольцях відсутні.

З експериментів на тваринах відомо, що германій має низьку гостру пероральну токсичність. Симптоми гострого отруєння великими дозами сполук германію включають:

Розширення судин (артерієктазії)
Птоз
ціаноз
тремор

Зрештою, параліч дихання призводить до загибелі досліджуваних тварин. Симптомами хронічного або субхронічного отруєння неорганічними сполуками германію є:

Втрата ваги
Зміни органів (маса органів)
Прогресуюча нейропатія
Пошкодження нирок

Органічні сполуки германію виявили меншу токсичність, але призвели до втрати ваги та зменшення кількості еритроцитів у досліджуваних тварин. Даних про тератогенну дію германію мало. Германат натрію було перевірено як не канцерогенний у щурів.

Механізм токсичності германію ще не до кінця вивчений. Однак спостерігались специфічні патологічні ефекти на мітохондрії ниркових та нервових клітин.

Взаємодія

Також обговорюється, чи може германій взаємодіяти з кремнієм у метаболізмі кісток. Він може блокувати дію діуретиків і знижувати або блокувати активність ряду ферментів, таких як дегідрогенази. В експериментах на тваринах миші демонструють збільшену тривалість сну, спричинену гексабарбіталом, якщо їх також обробляли сполуками германію. Це свідчить про те, що активність цитохрому P450 також обмежена. Повідомлялося про органічні сполуки германію, які блокують фермент детоксикації глутатіон-S-трансферазу.

Біодоступність та метаболізм

Германій дуже легко засвоюється організмом при попаданні всередину. Він розподіляється по всій тканині тіла, в першу чергу в нирках і щитовидці. На відміну від неорганічних сполук германію, органогерманіки не накопичуються в організмі людини. Однак існує лише кілька досліджень метаболізму германію.

Він по суті виводиться з сечею. Також відбувається виведення з жовчю та фекаліями.

посилання

Германій утворює Ge (II) та більш постійні сполуки Ge (IV), лише деякі мають технічне значення.

Також відомі представники гелідів (II) та Ge (IV) галогенідів германію. Тетрахлорид германію (GeCl4), рідина з температурою кипіння 83 ° C, утворюється, коли оксиди германію піддаються дії хлористого водню і є важливим проміжним продуктом у виробництві германію. Високочистий GeCl4 використовується у виробництві оптичних хвилеводів з кварцового скла з метою отримання високочистого шару оксиду германію (IV) на внутрішній стороні кварцових волокон. Непропорціонування йодиду германію (II) з утворенням германію та йодиду германію (IV) також може бути використано для отримання високочистих шарів германію:

Германати - це сполуки германію, які отримують з його оксиду. Майже у всіх мінералах, що містять германій, германій присутній як германат.

Німці - назва водневих сполук германію, які утворюють гомологічний ряд ланцюгових молекул різної довжини. Моногерман або гідрид германію (GeH4) є газом і використовується в напівпровідниковій промисловості для епітаксії та легування.